周敏，杜勇，曾權(quán)，徐杰，薛克敏

（1.南通福樂達(dá)汽車配件有限公司，江蘇南通226300;2.合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，合肥 230009）

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人類對(duì)汽車的需求量也日益增加，其中在歐美等汽車制造工業(yè)先進(jìn)的經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)國(guó)家，一直以來都致力于高性能環(huán)保型汽車發(fā)動(dòng)機(jī)制造技術(shù)的研究［1］。當(dāng)下市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的高效運(yùn)轉(zhuǎn)，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的曲軸制造技術(shù)領(lǐng)域，其傳統(tǒng)型舊材料以及古老的加工技術(shù)已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法滿足目前人類對(duì)汽車的高要求，從而使得汽車發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸機(jī)械加工技術(shù)領(lǐng)域面臨著穩(wěn)定性、安全性等高要求的嚴(yán)峻考驗(yàn)及挑戰(zhàn)［2］。

作為汽車發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸主要零部件的曲軸皮帶輪，是傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵功能部件之一，其安裝在曲軸前端，隨曲軸一起旋轉(zhuǎn)［3］。它的制造工藝復(fù)雜，質(zhì)量要求高。曲軸皮帶輪制造精度的優(yōu)劣，將直接影響曲軸的振動(dòng)及使用壽命，進(jìn)而影響到整車的性能［4］，因此，提高曲軸皮帶輪的制造精度是很有必要的。

板制帶輪作為一種新型的結(jié)構(gòu)形式，以其精度高、節(jié)能、節(jié)材、動(dòng)平衡好、無環(huán)境污染等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于汽車工業(yè)［5］。同時(shí)隨著板料精密沖裁技術(shù)的不斷發(fā)展，人們逐步將之與體積成形工藝相結(jié)合，制造出各種形狀復(fù)雜的零件，因此，現(xiàn)代意義上的精沖工藝已遠(yuǎn)遠(yuǎn)突破了沖孔、落料等分離工序，更多地與擠壓、壓沉孔等體積成形工藝相復(fù)合，得到具有一定立體形狀的零件。板料擠壓成形作為一種典型的精沖復(fù)合體積成形工藝，可以用來成形精沖件中大量存在的凸臺(tái)、凸柱等特征，具有廣泛的應(yīng)用范圍，但其成形過程中金屬流動(dòng)行為復(fù)雜，成形工藝參數(shù)較多，對(duì)成形過程中金屬流動(dòng)的影響機(jī)制不明，而且常出現(xiàn)缺陷，成形質(zhì)量控制難度較大，通過傳統(tǒng)的試模方法來優(yōu)化具體工藝參數(shù)不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且費(fèi)用相當(dāng)昂貴［5］。針對(duì)此現(xiàn)象，文中對(duì)精壓成形進(jìn)行數(shù)值模擬，并借助數(shù)值模擬這種經(jīng)濟(jì)快捷的方法來尋求比較合理的工藝參數(shù)。

目前，國(guó)內(nèi)有研究人員已開展了擠壓成形的相關(guān)工作，李貝貝等人［7］提出了在毛坯中間預(yù)先壓出減壓孔，通過擠壓減壓孔產(chǎn)生的向心收縮力來實(shí)現(xiàn)分流，降低成形載荷;馮文杰等人［8］通過數(shù)值模擬，分析比較了分流孔直徑對(duì)成形力大小及坯料最優(yōu)體積的影響。本文綜合上述研究人員研究的結(jié)果，運(yùn)用有限元數(shù)值建模，對(duì)模具設(shè)計(jì)和成形工藝參數(shù)進(jìn)行數(shù)值模擬，分析模具及加工參數(shù)對(duì)曲軸皮帶輪花型齒成形質(zhì)量的影響，并選定比較合理的模具和加工參數(shù)，使曲軸皮帶輪不僅滿足尺寸精度要求，還能實(shí)現(xiàn)薄板局部增厚的效果，達(dá)到降本增效的目的。

1 工藝分析

1.1 零件分析

曲軸皮帶輪在汽車曲軸皮帶輪的設(shè)計(jì)中已形成一個(gè)系列，其主要特點(diǎn)為凸臺(tái)中間有放射狀花型齒，齒深相對(duì)坯料厚度較小，齒形和精度都具有較高的要求，如圖1所示。其又與以往生產(chǎn)的零件有區(qū)別:其一，中間凸臺(tái)部分有一平臺(tái)面，齒形呈非圓周對(duì)稱分布;其二，花型齒凸臺(tái)A厚度為5 mm，而側(cè)壁B壁厚要求為3 mm，兩者壁厚相差較大。故在保證產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)品性能的前提下，考慮用較薄的板材進(jìn)行加工從而控制成本［9］。

圖1 零件示意圖Fig.1 Part diagram of wheel

1.2 曲軸皮帶輪成形工藝方案分析

根據(jù)零件結(jié)構(gòu)，以板料為坯料，板料經(jīng)拉深得到凸臺(tái)后，用油壓機(jī)精壓花型齒，最后采用旋壓工藝將外圓齒旋出。

實(shí)際生產(chǎn)中，由于花型齒不再進(jìn)行精加工，成形精度要求較高，但花型齒在擠壓成形過程中是局部變形，大量未變形金屬影響變形金屬的流動(dòng)，導(dǎo)致花型齒難以充滿。為了提高花型齒精度，降低成形載荷，在設(shè)計(jì)凸模時(shí)增加分流孔;在毛坯中間預(yù)先沖出減壓孔，通過擠壓減壓孔產(chǎn)生的向心收縮力來實(shí)現(xiàn)分流。

2 有限元模型的建立

運(yùn)用有限元軟件，根據(jù)典型工藝條件下的現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)，建立三維分析模型。同時(shí)考慮到擠壓花型齒時(shí)，塑性變形集中在花型齒凸臺(tái)部分，故在劃分單元網(wǎng)格時(shí)將花型齒部分網(wǎng)格進(jìn)行局部細(xì)劃［10］。有限元模型中除坯料設(shè)為塑性體外，模具均設(shè)為剛性體。坯料材料為 DD13，泊松比 γ=0.3，ρ=7.85×103kg/m3，彈性模量E=2.05×105MPa，工作溫度設(shè)為20℃，由于擠壓為體積成形，采用剪切摩擦模型［11］，摩擦因數(shù)μ=0.5，沖壓速度v=20 mm/s。根據(jù)體積不變?cè)?，?duì)曲軸皮帶輪進(jìn)行體積計(jì)算，選用直徑為200 mm，壁厚4.6 mm的坯料，進(jìn)行仿真模擬。

3 模擬結(jié)果對(duì)比分析

3.1 模具安裝位置對(duì)成形的影響

采用帶花型齒模作為凸模，毛坯與凹模間留0.4 mm間隙的安裝方式，如圖2所示。

隨著凸模的下壓，坯料產(chǎn)生塑性變形，坯料與凹模接觸后金屬質(zhì)點(diǎn)向模具型腔內(nèi)及減壓孔方向流動(dòng)，完成花型齒的成形。此種安裝方式不僅可以較好地達(dá)到精度要求，凸臺(tái)經(jīng)過擠壓后可以保證花型輪廓度（0.03）;而且可以有效地降低變形抗力［12］、提高模具壽命和達(dá)到增厚目的，擠壓后厚度從4.6 mm變成5 mm，如圖3所示。

圖2 花型齒作為凸模成形示意圖Fig.2 Flower-shaped teeth as punch schematic

圖3 擠壓前后厚度示意圖Fig.3 Before and after extrusion thickness schematic

3.2 分流孔尺寸對(duì)成形的影響

在成形過程中，受摩擦力的作用，金屬的流動(dòng)出現(xiàn)分流面，如圖4所示，分流面處金屬流動(dòng)緩慢，分流面以內(nèi)的金屬質(zhì)點(diǎn)向中心孔處流動(dòng)，分流面以外的金屬質(zhì)點(diǎn)向外腔處流動(dòng)［13］。根據(jù)分流面內(nèi)、外金屬的體積不變條件［14］，理論分流面直徑在φ33 mm上。

圖4 分流面流線圖Fig.4 Diversion of surface flow chart

通過模擬得到分流孔直徑與載荷、分流面直徑關(guān)系，如圖5所示。

由圖5可知，隨著沖頭的下壓，載荷變化趨勢(shì)大致分為3個(gè)階段。

1）分流孔直徑從φ1 mm增加到φ5 mm時(shí)，曲線斜率不變，說明此階段沖裁力不受分流孔直徑變化的影響。這是因分流孔直徑相差不大，分流半徑與分流半徑理論值相差也不多。擠壓成形終了時(shí)，載荷所需的力就等于驅(qū)動(dòng)分流面兩端金屬流動(dòng)的力。

2）當(dāng)分流孔大于φ5 mm小于φ8 mm時(shí)，曲線斜率明顯變陡，也就是說此時(shí)分流孔越大，載荷快速增加，分流孔直徑等于φ8 mm時(shí)，達(dá)到最大峰值。這是因分流半徑偏離理論值阻礙了金屬流動(dòng)，所受的阻力增大，成形所需的沖裁力也增大。

3）當(dāng)分流孔尺寸大于φ8 mm時(shí)，載荷又出現(xiàn)急速下降趨勢(shì)。這是受金屬塑性流動(dòng)遵循最小阻力定律影響，金屬沿阻力最小方向即分流孔處流動(dòng)。分流孔增大，所受的阻力減小，故成形所需的沖裁力也減小。

從圖5可看出，雖然分流孔直徑等于 φ10 mm時(shí)，所需載荷最小，但分流面直徑已遠(yuǎn)遠(yuǎn)偏離了理論值，此時(shí)花型模與坯料接觸不完全，如圖6所示，由此可判斷分流孔直徑等于φ10 mm時(shí)花型齒的輪廓度較差，難以滿足零件的高精度要求;而當(dāng)分流孔等于φ3 mm時(shí)，分流面直徑與理論分流面直徑最接近，此時(shí)花型齒輪廓度也相對(duì)較好。

圖5 載荷、分流面直徑與分流孔尺寸關(guān)系圖Fig.5 Load，split face and shunt diameter hole size diagram

圖6 輪廓度示意圖Fig.6 Profile of schematic

為了保證花型齒精度，最優(yōu)的分流孔直徑選擇φ3 mm為宜，它既能有效降低成形力，又能得到輪廓度較好的花型齒。

3.3 減壓孔尺寸對(duì)成形的影響

對(duì)中間有孔的精壓面先做出孔來，這樣可以大大降低沖裁力。選取減壓孔直徑為 φ7，φ10，φ13，φ15 mm，分別對(duì)不同減壓孔的坯料進(jìn)行精壓過程的模擬，分析減壓孔對(duì)花型齒成形質(zhì)量的影響。不同減壓孔下的金屬流動(dòng)分布也存在差異，各情況下的分流面直徑分布如圖7所示。

圖7 分流面直徑與減壓孔尺寸的關(guān)系Fig.7 Shunt surface diameter and reduced pore size diagram

圖8 載荷、分流面直徑與減壓孔尺寸關(guān)系Fig.8 Load shunt surface diameter and pore size reduced graph

從圖8可看出，成形載荷隨減壓孔直徑的增大而降低。這是因在塑性變形過程中，金屬質(zhì)點(diǎn)滿足最小阻力定律，即金屬質(zhì)點(diǎn)的流動(dòng)總是沿著阻力最小的方向流動(dòng)［15］。凸模擠壓過程中，由于減壓孔的存在，中間的金屬變形更易朝阻力小的減壓孔方向流動(dòng)，從而大大降低了成形載荷。

減壓孔尺寸大雖然有利于降低成形載荷，但分流半徑偏離理論值過大或過小都阻礙了金屬流動(dòng)，影響了花型齒的輪廓度。因此減壓孔尺寸的選擇十分關(guān)鍵，在考慮成形質(zhì)量和載荷力允許范圍內(nèi)，減壓孔尺寸選擇φ13 mm時(shí)，分流面直徑最靠近理論分流面直徑φ33 mm。而且從成形質(zhì)量上（如圖9所示）可看出，此時(shí)模具與坯料完全接觸，可說明此時(shí)花型齒輪廓度最理想的。

圖9 輪廓度示意圖Fig.9 Profile of schematic

4 工藝驗(yàn)證

為了驗(yàn)證模擬結(jié)果的合理性和可靠性，結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果，凸模分流孔加工成φ3 mm，坯料預(yù)先沖好φ13 mm的減壓孔，在不加潤(rùn)滑條件下進(jìn)行齒形成形物理試驗(yàn)，得到的花型齒成形效果良好，如圖10所示。

圖10 試驗(yàn)結(jié)果Fig.10 The test results

5 結(jié)語

在開模前通過模擬軟件分析裝模方式、凸模分流孔、坯料減壓孔對(duì)花型齒成形質(zhì)量的影響，不僅為生產(chǎn)提供指導(dǎo)作用，還大大地降低了生產(chǎn)成本。經(jīng)過分析得出以下結(jié)論。

1）帶花型齒模作為凸模，不僅可以較好保證精度要求，而且還實(shí)現(xiàn)局部增厚效果，在降低材料成本的同時(shí)也為后道精加工節(jié)省了時(shí)間。

2）分流孔直徑選擇為φ3 mm時(shí)，不但能保證花型齒的充填質(zhì)量，還能有效降低成形力。

3）成形過程中，由于減壓孔的存在，金屬變形更易朝阻力小的減壓孔方向流動(dòng)，從而大大降低了成形載荷。在考慮成形質(zhì)量和載荷力允許范圍內(nèi)，選擇坯料減壓孔尺寸為φ13 mm。

［1］解芳，馮長(zhǎng)虹，王召興，等.汽車發(fā)動(dòng)機(jī)水泵帶輪結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)［J］.機(jī)械強(qiáng)度，2014，36（2）:285—289.

XIE Fang，F(xiàn)ENG Chang-hong，WANG Zhao-xing，et al.Improved Structure Design of Delt Wheel in Automobile Engine Water Pump［J］.Journal of Mechanical Strength，2014，36（2）:285—289.

［2］鄭國(guó)世，方勁松，李玉圭.柴油機(jī)曲軸皮帶輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的限值研究［J］.汽車科技，2007（4）:16—20.

ZHEN Guo-shi，F(xiàn)ANG Jin-song，LI Yu-gui.Limit Research Inertia Engine Crankshaft Pulley［J］.Automotive Technology，2007（4）:16—20.

［3］張立紅，賴思琦，尹顯明.曲軸皮帶輪信號(hào)盤數(shù)控銑齒專機(jī)設(shè)計(jì)［J］.產(chǎn)品開發(fā)與設(shè)計(jì)，2009，36（11）:51—52.

ZHANG Li-hong，LAI Si-qi，YIN Xian-ming.Design of the Crankshaft Pulley Signal Plate Dedicated CNC Milling Machine［J］.Product development and design，2009，36（11）:51—52.

［4］俞培泳，張敏.TJ376QE發(fā)動(dòng)機(jī)多楔帶輪系的開發(fā)［J］.汽車技術(shù)，2004（2）:14—15.

YU Pei-yong，ZHANG Min.Development on TJ376QE Engine Poly-rib Belt［J］.Automotive Technology，2004（2）:14—15.

［5］王忠清，楊東法.鈑制旋壓帶輪在汽車行業(yè)中的發(fā)展及應(yīng)用［J］.機(jī)械制造，1999（6）:9—10.

WANG Zhong-qing，YANG Dong-fa.Development and Application of Sheet Spinning Pulley in the Automotive Industry［J］.Machinery Manufacturing，1999（6）:9—10.

［6］李峰.特種塑性成形理論及技術(shù)［M］.北京:北京大學(xué)出版社，2011.

LI Feng.Special Plastic Forming Theory and Technology［M］.Beijing:Peking University Press，2011.

［7］李貝貝，嚴(yán)軍，劉雨生，等.曲軸輪轂中間齒精壓成形工藝研究［J］.精密成形工程，2014，6（3）:10—14.

LI Bei-bei，YAN Jun，LIU Yu-sheng，et al.Precision Coining Process of Crankshaft Hub Tooth［J］.Journal of Netshape Forming Engineering，2014，6（3）:10—14.

［8］馮文杰，陳瑩瑩，楊濤.弧齒錐齒開式模鍛的分流擠壓研究［J］.鍛壓技術(shù)，2010，35（6）:89—91.

FENG Wen-jie，CHEN Ying-ying，YANG Tao.Research on Divided Flow of Spiral Bevel Gear Open-die Forging［J］.Forging＆Stamping Technology，2010，35（6）:89—91.

［9］劉彬，吳振東，高向東.汽車輪轂軸承密封件標(biāo)準(zhǔn)化研發(fā)體制探究［J］.研究與開發(fā)，2014（6）:55—59.

LIU Bin，WU Zhen-dong，GAO Xiang-dong.Research on Standard Research＆Development System for Automobile Hub Bearing Seals［J］.Automobile Parts，2014（6）:55—59.

［10］章傳國(guó)，韓靜濤.無縫鋼管連軋過程有限元數(shù)值模擬研究［J］.塑性工程學(xué)報(bào)，2005（12）:155—158.

ZHANG Zhuan-guo，HAN Jing-tao.Finite Element Simulation of Seamless Steel Rolling Process［J］.Plasticity Engineering，2005（12）:155—158.

［11］汪金保，劉華，孫紅星，等.大直徑帶轂直齒輪冷精密成形數(shù)值模擬及工藝分析［J］.精密成形工程2014，6（6）:104—110.

WANG Jin-bao，LIU Hua，SUN Hong-xing，et al.Numerical Simulation and Process Analysis of Cold Precision Forging for Large-diameter Spur Gear with Hub［J］.Journal of Netshape Forming Engineering，2014，6（6）:104—110.

［12］李春峰.金屬塑性成形工藝及模具設(shè)計(jì)［M］.北京:高等教育出版社，2008.

LI Chun-feng.Metal Forming Technology and Die Design［M］.Beijing:Higher Education Press，2008.

［13］劉彥國(guó)，張紅巖.環(huán)類鍛件制坯尺寸的確定［J］.機(jī)械研究與應(yīng)用，2002，15（2）:59—60.

LIU Yan-guo，ZHANG Hong-yan.Ring Forgings Preform Size is Determined［J］.Mechanical Research ＆ Application，2002，15（2）:59—60.

［14］王華昌，夏存平.軸對(duì)稱鍛件開式模鍛時(shí)的體積分布［J］.金屬成形工藝，1999，17（3）:7—10.

WANG Hua-chang，XIA Cun-ping.Volume Distribution of Axial Symmetry when Forging Open Die Forging［J］.Mtlormigtchology，1999，17（3）:7—10.

［15］劉全坤.材料成形基本原理［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

LIU Quan-kun.Material Forming the Basic Principles［M］.Beijing:Mechanical Industry Press，2010.